前提条件
想要充分了解本文内容，你必须了解以下概念：
- Node.js 的设置与安装
- 如何使用 Node 创建 API
- 如何使用 Postman
- JavaScript 的 async/await 工作原理
- Redis 的基础操作
API 优化到底指的是什么
优化包含了改善 API 的响应时间。响应时间越短，API 的速度越快。
我将在本文分享一些技巧，帮助你缩短响应时间、降低延迟、管理错误和吞吐量，并且最大限度地减少 CPU 和内存的使用。
如何优化 Node.js 的 API
1. 始终使用异步函数
异步函数就像 JavaScript 的心脏。因此，优化 CPU 使用率的最佳方法就是编写异步函数来执行非阻塞 I/O 操作。
I/O 操作包括对数据的读和写。它可以在数据库、云存储或者任何本地磁盘上进行。
在大量使用 I/O 操作的应用使用异步函数可以提高效率。因为由于没有阻塞 I/O，当一个请求在做输入/输出操作的时候，CPU 可以同时处理多个请求。
举例如下：
var fs = require('fs');
// 执行阻塞I/O
var file = fs.readFileSync('/etc/passwd');
console.log(file);
// 执行非阻塞I/O
fs.readFile('/etc/passwd', function(err, file) {
if (err) return err;
console.log(file);
});
- 使用 Node 包fs来处理文件
- readFileSync()是同步函数，会在执行完成前阻塞线程
- readFile()是异步函数，会立刻返回并在后台运行
2. 避免在 API 中使用 session 和 cookie，仅在 API 响应中发送数据
当我们使用 cookie 或者 session 来存储临时状态的时候，会占用非常多的服务器内存。
现在通用无状态 API，并且也有 JWT、OAuth 等验证机制。验证令牌保存在客户端以便服务器管理状态。
JWT 是基于 JSON 的用于 API 验证的安全令牌。JWT 可以被看到，但一旦发送就无法修改。JWT 只是一个序列并没有加密。OAuth 不是 API 或服务——相反，它是授权的开放标准。OAuth 是一组用于获取令牌的标准步骤。
同时，也不要把时间浪费在使用 Node.js 来服务静态文件。这方面 NGINX 和 Apache 做得更好。
使用 Node 搭建 API 的时候，不要在响应中发送完整的 HTML 页面。当仅有数据通过 API 发送的时候，Node 服务得会更好。大部分 Node 应用都使用 JSON 数据。
3. 优化数据库查询
优化 Node API 的重要一环是优化查询。特别是对于大型应用来说，我们需要多次查询数据库，所以一个糟糕的查询会降低应用的整体性能。
索引是一种优化数据库性能的方法，通过最小化处理查询时所需的磁盘访问次数来实现。它是一种数据结构技术，用于快速定位和访问数据库中的数据。索引是使用几个数据库列创建的。
假设我们有一个没有索引的数据库模式，并且数据库包含 100 万条记录。与带有索引的模式相比，使用没有索引的模式做一个简单的 find（查找）查询将扫描更多的记录来找到匹配的记录。
- 没有索引的查询
> db.user.find({email: 'ofan@skyshi.com'}).explain("executionStats")
- 有索引的查询
> db.getCollection("user").createIndex({ "email": 1 }, { "name": "email_1", "unique": true })
{
"createdCollectionAutomatically" : false,
"numIndexesBefore" : 1,
"numIndexesAfter" : 2,
"ok" : 1
}
两者之间扫描文件的数量相差巨大 ~ 1038：
方法 | 扫描文件 |
没有索引 | 1039 |
有索引 | 1 |
4. 使用 PM2 集群模式优化 API
PM2 是为 Node.js 应用程序设计的生产流程管理器。它内置了负载平衡器，允许应用程序在不修改代码的情况下，作为多个进程运行。
使用 PM2 时的应用停机时间几乎为零。总体来说，PM2 确实可以提升 API 性能和并发性。
在生产环境中部署代码并运行以下命令以查看 PM2 集群如何在所有可用 CPU 上进行扩展：
pm2 start app.js -i 0
5. 减少 TTFB（第一字节时间）
第一字节时间是一种测量方式，用作表示 Web 服务器或者其他网络资源的响应时间。TTFB 测量从用户或客户发出 HTTP 请求到客户的浏览器收到页面的第一个字节的时间。
所有用户访问浏览器的同一页面加载速度不可能在 100 毫秒之内，这仅仅是因为服务器和用户之间的物理距离。
我们可以通过使用 CDN 和全球本地数据中心缓存内容来减少第一个字节的时间。这有助于用户以最小的延迟访问内容。你可以从 Cloudflare 提供的 CDN 解决方案开始着手。
6. 使用带日志的错误脚本
监视 API 是否正常工作最好的办法是记录行为，于是记录日志就派上用场。
一个常见的办法是将记录打印在控制台上（使用console.log()）。
比console.log()更高效的方法是使用 Morgan、Buyan 和 Winston。我将在这里以 Winston 为例。
如何使用 Winston 记录 – 功能
- 支持 4 个可以自由选择的日志等级，如：info、error、verbose、debug、silly 和 warn
- 支持查询日志
- 简单的分析
- 可以使用相同的类型进行多个 transports 输出
- 捕获并记录 uncaughtException
可以使用以下命令行设置 Winston：
npm install winston --save
这里是使用 Winston 记录的基本配置：
const winston = require('winston');
let logger = new winston.Logger({
transports: [
new winston.transports.File({
level: 'verbose',
timestamp: new Date(),
filename: 'filelog-verbose.log',
json: false,
}),
new winston.transports.File({
level: 'error',
timestamp: new Date(),
filename: 'filelog-error.log',
json: false,
})
]
});
logger.stream = {
write: function(message, encoding) {
logger.info(message);
}
};
7. 使用 HTTP/2 而不是 HTTP
除了上述使用的这些技巧，我们还可以使用 HTTP/2 而不是 HTTP，因为它具备以下优势：
- 多路复用
- 头部压缩
- 服务器推送
- 二进制格式
它专注提高性能，并解决 HTTP 的问题。它使网页浏览更快、更容易，并且消耗更少的带宽。
8. 并行任务
使用 async.js 来运行任务。并行任务对 API 的性能有很大改善，它减少了延迟并最大限度地减少了阻塞操作。
并行意味着同时运行多个任务。当你并行任务的时候，不需要控制程序的执行顺序。
以下是一个数组异步并行的简单例子：
const async = require("async");
// 使用对象而不是数组
async.parallel({
task1: function(callback) {
setTimeout(function() {
console.log('Task One');
callback(null, 1);
}, 200);
},
task2: function(callback) {
setTimeout(function() {
console.log('Task Two');
callback(null, 2);
}, 100);
}
}, function(err, results) {
console.log(results);
// 结果相当于: {task2: 2, task1: 1}
});
在以上例子中，我们使用了 async.js 以异步的形式执行了两个任务。task 1 需要 200 毫秒完成，但是 task 2 不需要等待 task 1 完成后再执行 – 它在设定的 100 毫秒后执行。
并行任务对 API 的性能有很大的影响。它减少了延迟并最大限度地减少了阻塞操作。
9. 使用 Redis 缓存应用
Redis 是 Memcached 的高级版本。它通过在服务器的主内存中存储和检索数据来优化 API 响应时间。它提高了数据库查询的性能，也减少了访问延迟。
在下面的代码片段中，我们分别调用了不使用 Redis 和使用 Redis 的 API，并比较了响应时间。
响应时间差异巨大~ 899.37 毫秒：
方法 | 响应时间 |
不使用 Redis | 900ms |
使用 Redis | 0.621ms |
以下是不使用 Redis 的 Node：
'use strict';
//定义需要的所有依赖项
const express = require('express');
const responseTime = require('response-time')
const axios = require('axios');
//加载 Express 框架
var app = express();
//创建在响应头中添加 X-Response-Time 的中间件
app.use(responseTime());
const getBook = (req, res) => {
let isbn = req.query.isbn;
let url = `https://www.googleapis.com/books/v1/volumes?q=isbn:${isbn}`;
axios.get(url)
.then(response => {
let book = response.data.items
res.send(book);
})
.catch(err => {
res.send('The book you are looking for is not found !!!');
});
};
app.get('/book', getBook);
app.listen(3000, function() {
console.log('Your node is running on port 3000 !!!')
});
以下是使用 Redis 的 Node：
'use strict';
//定义需要的所有依赖项
const express = require('express');
const responseTime = require('response-time')
const axios = require('axios');
const redis = require('redis');
const client = redis.createClient();
//加载 Express 框架
var app = express();
//创建在响应头中添加 X-Response-Time 的中间件
app.use(responseTime());
const getBook = (req, res) => {
let isbn = req.query.isbn;
let url = `https://www.googleapis.com/books/v1/volumes?q=isbn:${isbn}`;
return axios.get(url)
.then(response => {
let book = response.data.items;
//设置string-key:缓存中的 isbn。以及缓存的内容: title
// 设置缓存的过期时间为 1 个小时（60分钟）
client.setex(isbn, 3600, JSON.stringify(book));
res.send(book);
})
.catch(err => {
res.send('The book you are looking for is not found !!!');
});
};
const getCache = (req, res) => {
let isbn = req.query.isbn;
//对照服务器的 redis 检查缓存数据
client.get(isbn, (err, result) => {
if (result) {
res.send(result);
} else {
getBook(req, res);
}
});
}
app.get('/book', getCache);
app.listen(3000, function() {
console.log('Your node is running on port 3000 !!!')
)};
总结
在本指南中，我们了解了如何优化 Node.js API 的响应时间。
JavaScript 重度依赖函数，因此，使用异步函数可以使脚本运行得更快并且不阻塞。
除此之外，我们还可以使用缓存记忆（Redis）、数据库索引、TTFB 和 PM2 集群来提高响应速度。
最后请记住，注意路由的安全性并尽可能优化路由也很重要。我们不能为了提高 API 响应速度而妥协掉安全性。因此，在 Node.js 中构建优化的 API 时，应该保留所有标准安全检查。
